Tema 08 - Carga De Hundimiento Cimentaciones Superficiales

TEMA 8: CARGA DE HUNDIMIENTO DE CIMENTACIONES DIRECTAS

TEMA 8

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2011/2012

ÍNDICE  INTRODUCCIÓN  RELACIÓN CARGA-DEFORMACIÓN EN SUELOS  TIPOS DE FALLOS POR ROTURA  TEORÍA DE PRANDTL PARA CARGA DE HUNDIMIENTO  EXPRESIÓN GENERAL (BRINCH-HANSEN)  COEFICIENTES DE SEGURIDAD  TERRENOS COMPUESTOS POR DOS CAPAS  PRESIONES ADMISIBLES EN SUELOS GRANULARES

TEMA 8

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2011/2012

CONCEPTO DE HUNDIMIENTO  En un cimiento directo, la aplicación de una carga vertical creciente V, da lugar a un asiento creciente:  La relación presión–asiento depende de la forma y tamaño de la

zapata, de la naturaleza y resistencia del suelo y de la carga: • Para carga moderada, el asiento crece casi linealmente • Si la carga aumenta, la pendiente se acentúa, hasta que se sobrepasa la capacidad portante del terreno y se producen movimientos inadmisibles: HUNDIMIENTO  La carga para la cual se alcanza el hundimiento es función de la resistencia del terreno, de las dimensiones de la cimentación, de su profundidad, del peso del terreno, de la posición del nivel freático y de la excentricidad e inclinación de la propia carga transmitida  Se le denomina PRESIÓN DE HUNDIMIENTO (qh)

 A largo plazo, se entiende como coeficiente de seguridad frente al hundimiento (g) al cociente entre:  La componente vertical de presión que produce el “hundimiento”  La componente vertical de la presión actuante (q) TEMA 8

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2011/2012

RELACIÓN CARGA-DEFORMACIÓN  Si en una zapata apoyada en arenas aumentamos la carga hasta su “hundimiento”, la “forma de rotura” depende de la densidad y de la profundidad de apoyo:  En cimentaciones someras en arena densa:

• Existe un máximo en la curva carga-asiento para asientos del orden del 5% del ancho de la cimentación • Se produce un levantamiento de la superficie del terreno cerca de la zapata con una superficie de rotura completa con salida al exterior: Rotura por corte generalizado  En cimentaciones profundas o en arena floja: • El hundimiento se produce sin levantamiento en el exterior • No se alcanza un máximo en la relación carga-asiento (se compacta la arena) • Para asientos del 6-8 % se producen hundimientos repentinos: Rotura por punzonamiento  En una situación intermedia: • La curva presión-asientos es análoga a la de punzonamiento: Rotura por corte local • Para asientos del 15 % del ancho de la zapata, aparecen líneas de rotura en superficie TEMA 8

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2011/2012

TIPOS DE ROTURA Presión (kPa)

ROTURA POR CORTE GENERALIZADO

600

Rotura por corte generalizado

400 ROTURA POR CORTE LOCAL

Rotura por corte local 200

Rotura por punzonamiento 2

4

6

Asientos (cm)

ROTURA POR PUNZONAMIENTO

TEMA 8

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2011/2012

TIPOS DE ROTURA  TIPOS DE ROTURA EN ARENAS EN FUNCIÓN DE SU ÍNDICE DE DENSIDAD: Id 

e máx  e e máx  e mín

R

2  Área c arg ada Perímetro

ÍNDICE DE DENSIDAD

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

D (PROFUNDIDAD) / R (RADIO)

0 CORTE GENERALIZADO

2 CORTE LOCAL

4

D

6 ROTURA POR PUNZOMANIENTO

8

R

10

TEMA 8

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2011/2012

TEORÍA DE PRANDTL  Hipótesis:  Carga vertical centrada  Cimentación en faja indefinida enterrada con base lisa

 Suelo arenoso (c=0)  No se cuenta con el peso del terreno bajo el plano de cimentación  El terreno situado por encima y a los lados, se sustituye por una

sobrecarga uniforme

B qh q0

B

TEMA 8

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2011/2012

TEORÍA DE PRANDTL  Si analizamos la geometría de un posible hundimiento: B

qh

q0

 Por cálculo dimensional se deduce que la presión de hundimiento debe tener una expresión del tipo:

qh1  q0  Nq  TEMA 8

1  sen tg   Nq   tg 2     e tg  e 1  sen 4 2

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2011/2012

PRESIÓN DE HUNDIMIENTO  Para un terreno con cohesión, aplicando el teorema de los estados correspondientes de Caquot:

qh2  c  cot g  q0  c  cot g  Nq





qh2  c  cot g  Nq  1  q0  Nq qh2  c  Nc  q0  Nq





Nc  cot g  Nq  1

 Para carga superficial sobre terreno “con peso”: 1 qh3   g  B  Ng Nγ  1,5  (Nq  1)  tg 2  Para terrenos con peso y cohesión, la superposición de los efectos queda del lado de la seguridad: qh  c  Nc  q0  Nq  TEMA 8

1  g  B  Ng 2

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2011/2012

PRESIÓN DE HUNDIMIENTO  Nc, Nq y Ng son los “factores de capacidad de carga”  En una situación a LARGO PLAZO, se define la presión q admisible: qadm  h gR gR = coeficiente de seguridad ( 3)

 A corto plazo (para “carga rápida”) en arcilla saturada:  Las propiedades a considerar son:

 = u = 0 c = cu  Los coeficientes de capacidad de carga valen: • Nq = 1 • Nc resulta indeterminado; por la regla de L’Hôpital: Nc = 5,14 • Ng = 0 • La presión de hundimiento vale: qh  5,14  c u  q0 • La presión admisible es: TEMA 8

qadm 

5,14  c u  q0 gR

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2011/2012

PRESIÓN DE HUNDIMIENTO  Cuando no se cumplen las hipótesis anteriores, se puede corregir la expresión básica con unos FACTORES DE INFLUENCIA o correctores de los factores de capacidad de carga para tener en cuenta:  Formas diferentes a la faja indefinida  Resistencia del terreno sobre el plano de cimentación  Inclinación de la carga  Proximidad de un estrato rígido

 Si no se tiene en cuenta algún aspecto de éstos el coeficiente correspondiente vale la unidad  El Código Técnico de la Edificación contempla algunos casos, y permite aplicar aquéllos otros justificados y “aceptados en Mecánica del Suelo”  Estos casos pueden superponerse y se obtiene una expresión general del tipo de la de Brinch-Hansen TEMA 8

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2011/2012

FORMA DE LA CIMENTACIÓN  Para zapatas de forma “finita”, distinta a la faja indefinida, se corrige la presión de hundimiento con unos COEFICIENTES DE FORMA, “s” (Geotecnia y Cimientos II): 1 qh  c  Nc  s c  q0  Nq  s q   g  B *  Ng  s g 2 Nq  s q  1 1  0,2  r sc  s q  1  r  tg sg  Nq  1 1r  Donde: • r=B*/L* • B* = ancho equivalente (dimensión menor) • L* = longitud equivalente (dimensión mayor)  Los valores de sq y sc son iguales o mayores a la unidad  Para =0, aplicando la regla de l’Hôpital: 1 B* B* sc  1    1  0,2  *   2 L* L TEMA 8

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2011/2012

RESISTENCIA DEL TERRENO SUPERIOR  Para tener en cuenta la resistencia al corte del terreno situado sobre la base de la cimentación se aplican los COEFICIENTES DE PROFUNDIDAD, “d” : 1 qh  c  Nc  dc  q0  Nq  dq   g  B *  Ng  d g 2 D D dc  1  0,34  arctg * ¡ arctg * en radianes! B B Nq D 2 dq  1  2   1  sen  arctg * con D  2  B * Nc B dg  1  Para =0  dq=1  No se deben emplear:  Para D< 2 m  Cerca de taludes  Cuando se trata de suelos arcillosos

plásticos con riesgo de retracción

TEMA 8

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2011/2012

RESISTENCIA DEL TERRENO SUPERIOR  Criterios para la consideración del valor de la profundidad, “D”:

TEMA 8

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2011/2012

INCLINACIÓN DE LA CARGA  Cuando existen componentes horizontales de la carga sobre la cimentación, H, se puede definir: HB V H tgL  L V tgB 

 HB, HL son las componentes de H en las direcciones ortogonales

paralelas a los ejes o direcciones principales de la cimentación

 Se definen los COEFICIENTES DE INCLINACIÓN, “i”: 1 qh  c  Nc  ic  q0  Nq  iq   g  B *  Ng  i g 2 iq  1  0,7  tgB   1  tgL  3

i g  1  tgB   1  tgL  3

ic 

i q  Nq  1 Nq  1

 Estos coeficientes incluyen una comprobación al deslizamiento TEMA 8

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2011/2012

INCLINACIÓN DE LA CARGA  Criterios de aplicación de los coeficientes de inclinación:  Las acciones, al actuar en la base de cimentación, consideran el

peso de la misma y la componente horizontal aplicada en la base  Para =0:

  H  ic  0,5  1  1  * *   B  L  c   iq  1

 Si el plano de cimentación no es horizontal, se pueden emplear la

normal y tangencial a dicho plano (válido para inclinación inferior a 3H:1V)  Cuando la componente horizontal de la resultante sea menor del 10% de la vertical, no es obligatorio considerar los coeficientes de inclinación

TEMA 8

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2011/2012

INCLINACIÓN DEL TERRENO  Si el terreno junto a la cimentación no es horizontal y presenta una inclinación, se emplean los siguientes factores de corrección: B

t c  e 2tg

t q  1  sen 2  

qh



t g  1  sen 2  

 

  TEMA 8

β es el ángulo de inclinación respecto a la horizontal en radianes Son coeficientes reductores (t<1) En condiciones sin drenaje, el efecto puede tenerse en cuenta calculando la presión de hundimiento como si la superficie del suelo fuera horizontal, reduciéndola posteriormente en un valor 2·β·cu Cuando el ángulo de inclinación del terreno sea superior a ’/2 debe llevarse a cabo un estudio específico de estabilidad global Cuando el ángulo de inclinación del terreno sea menor o igual a 5º, se podrá tomar tc = tq = tg=1 MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2011/2012

PRESIÓN DE HUNDIMIENTO  Por superposición se deduce la expresión general de Brinch Hansen: qh  c K  Nc  dc  s c  ic  t c  q0K  Nq  dq  s q  iq  t q  Término de cohesión

Término de sobrecarga

1 *  B  g K  Ng  d g  s g  i g  t g 2 Término de peso del terreno

qh: Presión de hundimiento del terreno (Rk) q0K: Presión vertical alrededor del cimiento en su base cK: Valor característico de la cohesión del terreno B*: Ancho equivalente del cimiento gK: Peso específico del terreno por debajo de la base del cimiento Nc, Nq, Ng: Factores de capacidad de carga dc, dq, dg: Factores de profundidad sc, sq, sg: Coeficientes de influencia de la forma en planta ic, iq, ig: Coeficientes de influencia de inclinación de la resultante tc, tq, tg: Coeficientes de influencia de inclinación del terreno TEMA 8

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2011/2012

PRESIÓN DE HUNDIMIENTO qh  c K  Nc  dc  s c  ic  t c  q0K  Nq  dq  s q  iq  t q  Término de cohesión





Nc  cot g  Nq  1 dc  1  0,34  arctg

sc 

ic 

Nq  s q  1 Nq  1

i q  Nq  1 Nq  1

t c  e 2tg TEMA 8

D B

*

1 *  B  g K  Ng  d g  s g  i g  t g 2 Término de peso específico

Término de sobrecarga

Nq  dq  1  2

1  sen tg e 1  sen

Nq Nc

Nγ  1,5  (Nq  1)  tg

1  sen2  arctg D* B

s q  1  r  tg

dg  1 sg 

1  0,2  r 1r

iq  1  0,7  tgB  1  tgL 

i g  1  tgB  1  tgL 

t q  1  sen 2  

t g  1  sen 2  

3

3

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2011/2012

CARGA EXCÉNTRICA  El área equivalente de un cimiento es la máxima sección cobaricéntrica con la componente vertical de la resultante de la solicitación en la base

 Esta equivalencia hay que realizarla en el plano de apoyo de la cimentación, es decir, incluyendo el peso propio de la misma  Los cimientos no rectangulares se asimilan a otros de igual superficie y momento de inercia respecto al eje del momento  Cuando la cimentación incluya elementos centradores (vigas, tirantes, forjados, etc.) se define por sus dimensiones reales, ya que se supone que dichos elementos han eliminado la excentricidad

TEMA 8

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2011/2012

CARGA EXCÉNTRICA  Cuando hay momentos en base de cimentación, pueden asimilarse a una carga excéntrica equivalente: M

e=M/V

V

V

 En planta es posible buscar un área equivalente cuyo centro de

gravedad sea el de aplicación del axil excéntrico:

TEMA 8

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2011/2012

PRESIÓN DE HUNDIMIENTO  Criterios de aplicación:  Podrá expresarse en presiones totales o efectivas  Se debe comparar con la presión existente en el plano de

cimentación; incluye: • Cargas transmitidas a la cimentación, “bajadas” al plano de la misma • Peso propio de la cimentación, incluyendo los posibles rellenos sobre la misma  Los parámetros del terreno deben ser representativos de una profundidad entre 1 y 1,5 veces el ancho real de la cimentación (B)  Para la comprobación según el Código Técnico se emplean los parámetros característicos (subíndice “k”)

TEMA 8

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2011/2012

PRESIÓN DE HUNDIMIENTO  En condiciones de carga sin drenaje en suelos cohesivos (“CORTO PLAZO”):  La presión de hundimiento se expresa en tensiones totales

 La resistencia del terreno se representa por cu y u=0  Los factores de capacidad de carga valen:

• • • • •

Nc=5,14 Nq=1 Ng=0 El término de “peso específico del terreno” se anula Los coeficientes correctores del segundo término de sobrecarga (sq, dq, iq, ξq) valen la unidad  Se puede suponer que el coeficiente de seguridad gR sólo afecta al término de la cohesión  La posición del nivel freático no influye, salvo para considerar los pesos de terreno: • g (aparente) sobre el nivel freático • gsat bajo el nivel freático TEMA 8

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2011/2012

PRESIÓN DE HUNDIMIENTO  Para situaciones con drenaje (“LARGO PLAZO”):  La presión de hundimiento se expresa en tensiones efectivas (qh’)  La resistencia del terreno viene expresada por c’ y ’

 El valor de la sobrecarga q0 será la presión vertical efectiva en la

base del cimiento y alrededor de ella  La carga transmitida se expresa en presiones efectivas  El valor del PESO ESPECÍFICO DEL TERRENO gK a introducir en la fórmula debe representar el estado de tensiones efectivas por debajo del cimiento: • El aparente, g , si el nivel freático está a una profundidad mayor que el ancho B* bajo la base de la cimentación • El sumergido, g', si está en o sobre la base de la cimentación • Si está en una posición intermedia, a una profundidad z de la base, se interpola linealmente: z

g K  g '

B

 g  g'

 Si existe un flujo de agua ascendente, de gradiente iv: TEMA 8

g K  g'iv  g w

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2011/2012

COEFICIENTES DE SEGURIDAD

TEMA 8

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2011/2012

SUELOS GRANULARES  MÉTODO SIMPLIFICADO PARA SUELOS GRANULARES:  La presión vertical admisible de servicio suele estar limitada por

condiciones de asiento  Son suelos difíciles de muestrear; se basa en el SPT  Para terreno horizontal (pendiente inferior al 10%), la inclinación de la resultante menor del 10% y si se admite la producción de asientos de hasta 25 mm:

B *  1,2 m B *  1,2 m

D   st   qadm (kPa )  12  NSPT  1      * 3  B   25   2 *   D   s t   B  0,3   qadm (kPa )  8  NSPT  1        * 3  B   25   B *  

 Siendo:

• st: Asiento total admisible, en mm • NSPT: Valor medio en una zona de influencia desde 0,5·B* por encima de su base a un mínimo de 2·B* por debajo de la misma • D la profundidad de apoyo TEMA 8

MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2011/2012

SUELOS GRANULARES  Criterios de aplicación del MÉTODO SIMPLIFICADO PARA SUELOS GRANULARES:  El valor de (1+D/3B) a introducir en las ecuaciones será menor o  





TEMA 8

igual a 1,3 Las formulas anteriores se considerarán aplicables para cimentaciones superficiales de hasta 5 m de ancho real (B) Para anchuras superiores a 5 m deben siempre comprobarse los asientos de la cimentación Si existe nivel freático a la altura de apoyo de la cimentación o por encima, para poder aplicar las formulas anteriores debe garantizarse mediante un adecuado proceso constructivo que las características mecánicas del terreno de cimentación no se alteran (sifonamiento, levantamiento del fondo, etc.) Será necesaria en todo caso la comprobación de que no se producen asientos excesivos debidos a la presencia de cargas próximas y suelos menos firmes situados a mayor profundidad que 2·B* desde la base de la cimentación MECÁNICA DEL SUELO Y CIMENTACIONES - E.T.S.A. SEVILLA – 2011/2012